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1、酸性环境对砂岩剪切破坏特性影响的试验研究,答 辩 人：冯丹 指导老师：许江 教授 2012年6月15日,毕业答辩,论文结构,岩石是自然界中各种矿物的集合体，在形成过程中产生大量微裂隙，是一种非均匀的各向异性材料。岩体是岩石块体和非连续节理组成的地质构造体，工程岩体主要破坏方式之一就是：剪切力作用下相邻节理扩展、相互贯通。 砂岩是构成重庆市众多岩土工程的主要材料之一，工程岩体在运行期间不仅受到复杂荷载的影响，还受到外界水化学环境等的影响，尤其是重庆的酸雨环境加速了工程岩体的破坏。成渝铁路K442处边坡，因地处重庆酸雨区，渗入坡体内的地下水具有很强的侵蚀性，造成边坡岩体内大量浊沸石、长石等铝硅酸盐

2、矿物的溶蚀，弱化了岩体的物理力学参数，对其稳定性带来重大隐患 。,1 绪论 1.1 研究背景与意义,1 绪论 1.2 国内外研究现状,1) 研究酸性环境不同pH值条件下砂岩抗剪强度变化规律，并对砂岩在剪切荷载条件下裂纹的时空演化发展规律进行宏观和细观观测试验； 2) 研究酸性环境不同浸蚀时间条件下砂岩抗剪强度变化规律，并对砂岩在剪切荷载条件下裂纹的时空演化发展规律进行宏观和细观观测试验； 3) 结合已有的理论知识，对实验数据进行分析，研究砂岩在剪切荷载作用下裂纹扩展规律。,1 绪论 1.3 研究内容与技术路线,1 绪论 1.3 研究内容与技术路线,试验选用重庆地区三叠系上统须家河组砂岩，岩石试

3、件加工包括切割、粗磨和细磨三个环节 ,将采集的砂岩加工成规格为40 mm40 mm40 mm的立方体试件。最后，利用红色签字笔在打磨后的岩石试件试验观测面适当位置标记记号，以便试验观测与图像采集处理。,部分岩石试件,2 试验方法与步骤 2.1 岩样的采集与加工,加载系统,细观观测系统,试验装置示意图,2 试验方法与步骤 2.2 主要仪器设备,2 试验方法与步骤 2.3 试验方案,2 试验方法与步骤 2.4 试验步骤,pH=2 pH=5 pH=7,3 不同pH值条件下砂岩剪切破坏特性,为研究酸性环境不同pH值化学溶液对砂岩剪切破坏特性的影响，选取pH=2、pH=5、pH=7三组氯化钠溶液浸蚀后的

4、砂岩试件进行剪切试验。,表3.1 不同pH值溶液浸蚀试件峰值剪切力,3.1 剪切变形特性分析,3.2 pH=2裂纹动态发展及细观形态特征,a,t=0s/,b,t=1657.5s/,t=1682.5s/,d,t=1688.5s/,e,t=1692.5s/,f,t=1693.5s/,a,c,b,3.2 pH=2裂纹动态发展及细观形态特征,t=2724s/,b,a,t=0s/,t=2733s/,d,t=2760s/,e,t=2820s/,f,t=2820.5s/,3.3 pH=5裂纹动态发展及细观形态特征,a,b,c,3.3 pH=5裂纹动态发展及细观形态特征,a,t=0s/,b,t=2219.5s

5、/,t=2236s/,d,t=2237s/,e,t=2237.5s/,f,t=2246s/,3.4 pH=7裂纹动态发展及细观形态特征,a,b,c,3.4 pH=7裂纹动态发展及细观形态特征,3.5 裂纹素描图对比,pH=2，起裂角29,pH=5，起裂角21,pH=7，起裂角14,3.6 裂纹开裂角度,4 不同浸蚀时间下砂岩剪切破坏特性,为研究pH=5的氯化钠溶液不同浸蚀时间对砂岩剪切破坏特性的影响，选取浸蚀时间为7天，14天，21天三个条件下砂岩试件做剪切试验。设定加载位移速率为0.01mm/min。,浸蚀7天 浸蚀14天 浸蚀21天,表4.1 不同浸蚀时间试件峰值剪切力,4.1 剪切变形特

6、性分析,4.2 浸蚀14天裂纹动态发展及细观形态特征,a,t=0s/,f,t=3174s/,e,t=3171s/,c,t=3127s/,t=2514 s/,d,t=3160s/,b,c,4.2 浸蚀14天裂纹动态发展及细观形态特征,a,t=0s/,b,t=2122s/,t=2129s/,d,t=2158s/,e,t=2710s/,f,t =2719s/,4.3 浸蚀21天裂纹动态发展及细观形态特征,a,c,b,4.3 浸蚀21天裂纹动态发展及细观形态特征,4.4 裂纹素描图对比,（a） 浸蚀7天裂纹开裂角度,4.5 裂纹开裂角度,5 结论与展望 5.1 主要结论,1）剪切试验获得剪切力-剪切位

7、移曲线，剪切初期，剪切力增长缓慢，曲线呈下凹型，主要是砂岩试件中孔裂隙压密的结果；随剪切力增加，斜率不断增加，逐渐呈线性增长趋势，表现为弹性；当剪切力达到峰值后，曲线呈直线下滑趋势，剪切力在很小的剪切位移内就有相对较大的幅度降低；直至试验停止，试件仍保留一定程度的抗剪强度。 2）裂纹细观形态特征图与剪应力-时间图对应分析，发现剪切裂纹一般在峰值剪应力后出现，并在短时间内扩展贯通，贯通时对应着曲线中的应力降现象，最终试件失稳破坏。 3）裂纹发展过程相互促进相互影响，主要是裂纹出现使得该处强度弱化，应力状态也发生变化，裂纹发展受到影响而发生一定变化。,4）酸性环境下随pH值减小砂岩抗剪强度逐渐降低，残余抗剪强度与峰值抗剪强度比值减小，裂纹开裂过程产生的次级裂纹越多，越复杂。主要是由于酸性程度越强，对岩石的腐蚀程度越大，岩石软化现象越明显，岩石强度越低。 5）酸性环境下随浸蚀时间延长砂岩抗剪强度逐渐降低，裂纹宽度扩大，偏离预定剪切面角度变小。主要是由于随浸蚀时间延长，对岩石反应时间增长，岩石软化、胶结程度降低、孔隙率增大，岩石强度降低。,5 结论与展望 5.1 主要结论,本文只研究了酸性环境饱和状态砂岩剪切破坏，可以增加烘干状态和自然状态条件做对比试